Integration photonischer Funktionalitäten in die Si-Mikro- und Nanoelektronik

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1 Integration photonischer Funktionalitäten in die Si-Mikro- und Nanoelektronik Guiding processing forward. Dr. Wolfgang Stolz NAsP III/V GmbH Nanotechnologie für Photonik und Optik Wetzlar, 11. November 2014 Veranstaltung des Hess. Ministeriums für Wirtschaft Energie, Verkehr und Landesentwicklung

2 Überblick 1 1. Motivation 2. Limitierung der Silizium (Si) Mikro- und Nanoelektronik 3. Laser als Photonik-Schlüsselkomponente 4. Monolithische Integration von Ga(NAsP)-Lasern 5. Nächste Schritte

3 Thank you for your attention!

4 Acknowledgements STRL Philipps Univ.: Andreas Beyer Katharina Gries Kakhaber Jandieri Nikolai Knaub Sven Liebich Peter Ludewig Lukas Nattermann Andrea Ott Vivien Vossebürger Tatjana Wegele Katharina Werner Martin Zimprich Kerstin Volz NAsP III/V GmbH Stefan Ziegler Antje Ruiz-Perez Johannes Zimmet Bernardette Kunert Michael Volk NAsP III/V Philipps-Univ.: Sangam Chatterjee Martin Koch Stephan W. Koch Phil Rosenow Andreas Stegmüller Ralf Tonner GRK 1782

5 Vision 4 Our vision as your external R&D partner: Ideas Speeding up of ideas Novel, innovative products Speeding-up development process from inventive ideas to innovative products for your success on the global market!

6 NAsP strategies based on University competences 5 1 Laser-on-Si 2 III/V-n-channel FET on Si 3 High-efficiency solar cells 4 Contract development projects

7 Most important semiconductor: Silicon 6 Advantages of Silicon Widely available/easy to purify Easy to handle/manufacture Good thermal/mechanical properties Silicon based integrated circuits Advantages of SiO 2 Passivates the surface of Si Good insulator High etching selectivity

8 Si-Chip Technology 7

9 Kernproblematik der heutigen elektrischen Signalübertragung 8 Platinen strahlen Energie ab, Signal verliert nach kurzen Distanzen (wenige cm) an Stärke Geringere Übertragungsgeschwindigkeit Platinen erzeugen Wärme, zusätzliche Kühlfunktion nötig Leiterbahnen aus Kupfer begrenzen die Packungsdichte, Grenzen der Miniaturisierung Sich aufbauende Magnetfelder beeinträchtigen die Signalübertragung

10 Source: Intel Strategy Laser-on-Si 9 Multiplexer places wavelength on one fiber Demultiplexer splits of the multiple wavelength Laser generates light beam Modulator encodes data onto wavelength Glas Fiber transmits data streams at high speed Glas Fiber Multiple incoming wavelength transmitted over glass fiber Photodetectors covert optical data into electrical data Host Logic System processes data if it had arrived over copper wires Fiber-optic transmission consists of encoding data on a laser wavelength (using a modulator) and then using a multiplexer to combine multiple such wavelength onto a single fiber.

11 Time development of data-communication 10 Transfer from Electrical to Optical data transmission Optoelectronic integrated Circuits (OEICs) in Silicon!

12 Monolithic integration of laser devices on Si microelectronic 11 Laser material: III/V Different block size! Si microelectronic Building blocks principle!

13 Monolithic integration of Laser devices on Si microelectronic 12 Dislocation network Surface GaAs: III/V Si substrate 1µm Dislocations destroy long-term stable laser devices!

14 Heteroepitaxial integration on Si microelectronics Dislocation network! Selected results: cw GaAs/Si LD at RT (CIT): 214 A/cm 2 (H.Z. Chen et al., OL12, 812 (1987) >10 6 cm cm -2 Surface GaAs: III/V Si substrate Dislocations destroy long-term stable laser devices! 1µm First (AlGa)As/GaAs/Si-VCSEL (AT&T) (D.G. Deppe et al., APL56, 740 (1990)) Lifetime GaAs/Si-LD ~ days (MIT): (H.K. Choi et al., APL59, 2634 (1991)) best lifetime (GaIn)(AsP)/InP/Si-LD (NTT): cw 2mW RT 2000h (M. Sugo et al., APL60, 472 (1992)) Degradation mechanism dark line defect formation (U Nagoya) (T. Egawa et al., APL64, 1401 (1994))

15 Monolithic integration of Laser devices on Si microelectronic 14 Novel Ga(NAsP) pseudomorphically grown on Si No lattice-mismatch No misfit dislocations Ga(NAsP) Laser material Ga(NAsP) Si microelectronic Building blocks principle!

16 Transmission electron microscopy (TEM) investigations: SQW Laser SKETCH (BGa)(AsP):Zn 100 nm (BGa)P:Zn 1.2 µm 10 nm GaP ~150 nm (BGa)(AsP) ~150 nm (BGa)(AsP) (BGa)P:Te 1.7 µm 60 nm GaP (001) Si substrate 50nm 2nm [110] growth direction [001] [1-10] [110] cross section HAADF STEM imaging

17 Improved performance of Ga(NAsP)/GaP QW laser structure on GaP-substrate 16 Room temperature operation N. Hossain et al., EL 47, 931 (2011)

18 Ga(NAsP) electrical injection Laser-on-Si 17 L facet (a.u.) SQW (700 x 100) µm pulse duration: 500 ns repitition rate: 10 khz J th ~ 0.5 ka/cm² 40K 60K 80K 100K 120K 140K 160K 165K Intensity (a.u.) SQW (700 x 100) µm pulse duration: 500 ns repitition rate: 10 khz 40K 60K 80K 100K 120K 140K 160K 165K J th ~ 1.5 ka/cm² Current (ma) Wavelength (nm) S. Liebich et al., APL99, (2011)

19 Light emission of Ga(NAsP) ridge waveguide device on Si-substrate cw RT 5µm reflection Fraunhofer IAF, S. Rogowsky PW2011

20 Final integration scenario: Embedded III/V laser structure 19 Selective-area overgrowth III/V devices deposited in recess stripes retaining the planarity of the Si wafer Si overgrowth and side wall passivation lead to completely hidden III/V device structures avoids any cross-contaminations SiO 2 Si-substrate Si-overgrowth III/V SiO 2 passivation Silicon n- and p-doped contact layers allow for standard CMOS-metallization. Si-substrate III/V

21 TEM investigation Si GaP HR-TEM RMS: 0.52nm DF-TEM (002) Si GaP (001) Si 5nm DF-TEM (004) ~ 150nm Si no stacking faults no twins sharp interface ~ 60 nm GaP (001) Si substrate Si GaP (001) Si

22 Alleinstellungsmerkmale NAsP 21 Einziges Unternehmen mit monolithischer Lösung eines Laser auf Silizium Erfindung durch globale Patentierung geschützt Technologie auf Integration in CMOS- Prozess zugeschnitten Entwicklungsvorsprung von 3-4 Jahren

23 300 mm Si-III/V Cluster tool 22

24 Nächste Schritte Laser-on-Si 23 Anlagenoptimierung Si-Epitaxie für n- und p-kontaktschichten Verbesserung der Lichtausbeute Bauelementtestschichten für integrierte Laser Charakterisierung Laser-Integration Abstimmung Anwendungsprofil an Photonic- Integrated Circuit (PIC) mit Industriepartner Design des PIC ( Kooperationspartner THM, Vortrag Prof. Ricklefs ) Aufbau Serienproduktion in Foundry

25 Danke für Ihre Aufmerksamkeit 24 Fragen/Diskussion/Anregungen Anforderungen an PICs?

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